三夏季节，全国3亿亩小麦正在紧张地收获中，和过去相比，小麦产量越来越高，但很少有人了解，小麦却正在变得越来越脆弱。

　　从上世纪初开始，以工业氮肥为代表的化肥革命、以矮秆化为代表的农业绿色革命，急剧改变了小麦1万年的驯化史和全球小麦遗传多样性组成。短短100年间，高产、化肥适应性更好的新品种风行全球，替代了丰富多样的地方品种。

　　然而，小麦产量快速提高的同时，生物多样性也在快速消失。100年后的今天，多样性匮乏的结果逐渐显现，面对急剧变化的全球气候，小麦这个全球30多亿人的主食，正在面临着重重危机。

　　找回100年中消失的遗传多样性，是解决未来危机的重要途径。6月17日23时，国际顶尖期刊《自然(Nature)》刊登了中国农业科学院深圳农业基因组研究所联合国内外多家优势单位完成的最新研究成果。该研究构建了目前最全面的小麦群体基因组变异图谱、表型组变异图谱，并进一步结合丰富的群体遗传资源，开展了系统的小麦性状和基因发掘研究，打通了小麦从基因组解码到育种设计的全链条贯穿体系。

　　百年之间，消失的小麦基因

　　小麦是最大的全球性粮食作物之一，这个发源于西亚两河流域的作物，从1万年前被驯化开始，就成了人类获取能量和营养的重要来源，从中亚到东亚，从南美到北欧，世界40%以上的人，以小麦为主食。而在全球传播的过程中，小麦逐渐适应各个地方的环境，形成了丰富多样的地方品种。

　　然而，仅仅百年，众多的地方品种就几乎消失殆尽，中国农科院基因组所研究员程时锋介绍，全球小麦看似品种非常多，但现代育种中，其携带的遗传资源，在不断地单一化，“尤其是上世纪六七十年代开始的绿色革命中，主要集中在通过培育和推广半矮秆稻麦品种，来提高作物适应增加化肥施用量、减少倒伏的能力，提高收获指数从而显著提高产量。在这样的育种中，育种家们更偏好那些控制矮秆和能显著提高收获产量的特定基因，会忽略大量的其他可能有益的遗传变异。最终，遗传多样性频谱越来越单一和狭窄。”

　　失去多样性的结果，是农作物生态更加脆弱，在面对新的全球病虫害、极端气候等不利因素时，缺乏有效的抵御能力。

　　在今天，人类对食物的需求仍在不断增长，而全球气候变化带来的各种极端天气频发、新的病虫害出现等因素，正在严重威胁着全球小麦的生产。“科学家亟须找到一条高效、精准的小麦育种之路，保障粮食安全和发展可持续农业。而追溯作物进化和驯化过程中已形成的遗传和表型多样性，解码和发现小麦优异性状和变异，是突破小麦育种障碍，培育新一代高产优质小麦品种的必然之路。”程时锋说。

　　辗转海外，回到故乡的种子

　　寻回小麦消失的多样性，可以让小麦的遗传资源更丰富，也让育种家们有更多的选择，但这并不容易。

　　2018至2019年期间，程时锋和团队开启了一项新的攻关，找到那些现代育种中丢失的基因。而要做到这一点，首先要找到那些消失的地方品种。

　　在现代栽培种遍及全球的时代，地方品种越来越快地被淘汰，但并不意味着，它们全部都彻底消失在了世界上。事实上，早在上世纪二三十年代，第二次世界大战开始前，就有科学家着力保存那些消失的地方种，建立资源库，如当时知名的潘氏小麦、沃氏小麦。程时锋介绍，潘氏小麦是一批地方品种的总称，在1930年代，曾被我国的前辈科学家引入中国，但后来逐渐遗失，同时，由于世界性的战争冲突，潘氏小麦在英国也消失了，只留下一小部分失去活性的标本。

　　不过，另外一批地方品种“沃氏小麦”得以保存，为此，程时锋连续多次访问英国，在保存沃氏小麦的科研机构英国约翰·英纳斯中心，将沃氏小麦引入中国，“当时引进了上千份优异的小麦核心种质资源，其中包含百年前收集于欧洲、亚洲和非洲32个国家的827份地方品种。”

　　有趣的是，800多份百年前的地方品种中，有118份收集于中国，是中国传统的地方品种，他们在海外辗转百年后，终于又回到了故乡。

　　随后，程时锋所在的基因组所，联合英国约翰·英纳斯中心等国内外多家优势单位，开始了对这些珍贵资源的研究。“在生物育种、基因鉴定等领域，我国当前已经处于世界第一方阵，科研条件和水平都是比较高的，但英国当地的机构，缺乏研究和鉴定这些珍贵资源的技术能力，所以我们通过联合攻关，充分发挥各自优势，希望能尽快解决育种难题。”程时锋说。

　　重回源头，找到丢失的财富

　　感谢异地的妥善保存，让我们找回失去了的珍贵，育种也是如此。

　　从2019年开始，研究人员将1000多份来自全球各地的小麦资源种植在我国天南地北的科研基地上，和整齐划一的大田不同，这些小麦各具姿态，高矮粗细各不相同。

　　在实验基地，科研人员年复一年地守在田间，鉴定每一株小麦的性状，何时出苗，怎样分蘖，节间距长短，穗粒数多少……

　　在实验室里，则通过现代生物学技术，进行多样性种质资源的遗传和表型变异图谱绘制工作，对引进的小麦种质群体基因组信息进行解析，构建全球小麦单倍型图谱，深度挖掘其潜在的、未被开发的基因资源和有利变异。结合英国历史上的表型数据集合，形成了一套史无前例的小麦表型组矩阵。

　　由于沃氏小麦收集于绿色革命之前，所以具有丰富的遗传多样性，具有极高的研究价值。通过与现代品种的比较，科研人员发现，现代小麦品种经过长期的人工定向选择，仅来自于7个祖先群中的2个，67%以上的遗传多样性丢失。

　　这些优异的资源，为何会消失在田间？程时锋解释，地方品种在过去被替代，主要和产量较低、抗倒伏性不强等原因有关，一旦遇到产量更高的现代小麦品种，农民往往就会遗弃栽培了多年的当地品种。

　　众多地方小麦品种的遗传库中，保存着大量珍贵的遗传资源，它们更适应当地的环境，有的还保存着异常突出的优势，比如对某种疾病的高抗性。但是地方品种中的优异变异，大多数以稀有或低频方式分散在少数品种中，一些复杂性状的解析，更是面临多重技术、科学和经济上的挑战，使得现代育种中很少使用地方品种。

　　通过现代生物学技术，找回这些遗传库中丢失的基因，只是第一步，更困难的工作还在后面。

　　设计育种，利用万年的资源

　　小麦是异源六倍体，这是一个生物学领域的专业术语，简单来说，它有6套基因组，而水稻是2倍体，人类也是2倍体。程时锋介绍，普通小麦的基因组大小，大约是水稻的40倍、人类的5倍，其基因组和遗传育种研究极其复杂，在过去一直被称为作物界的“珠穆朗玛峰”。

　　为破解小麦的遗传密码，研究团队与国际合作者一道，提出了一套小麦全基因组设计育种的策略，包括解码、发现、设计和最终的实现。

　　“解码，就是全面展开多样性种质资源的遗传和表型变异图谱绘制工作，对引进的小麦种质群体基因组信息进行解析，构建全球小麦单倍型图谱，深度挖掘其潜在的、未被开发的基因资源和有利变异。”程时锋说，“通过现代生物学技术，去鉴定那些优异的遗传基因，这个工作中，团队共鉴定出超过8000个遗传效应位点，并在这些遗传效应位点中，分析沃氏小麦所携带的有利变异。”

　　找到了遗失的基因，且鉴定出遗失基因中优异的部分，接下来，就可以想办法利用了，“团队分析了各大性状之间的相关性，进行了一系列研究。事实上，并不是找到优异基因就能开展聚合育种，因为性状之间存在着千丝万缕的关系，有的优异性状，可能和某些性状有负相关性，比如产量高，但籽粒蛋白少，再如粒重变高，粒数却变少等。这种现象在学术领域，被称为性状间的拮抗关系，你想用好的，无意中也可能会带来坏的。只有深度理解和精准打破这一关系，才能在现代小麦育种中真正利用和聚合那些想要利用的优异基因。”程时锋说。

　　为此，科研团队开发了一系列相关的工具，如特定目标性状的遗传位点定位、聚合和分子标记辅助检测工具等，这成了遗失优异资源得以利用的基础。程时锋介绍，“在这些工具的帮助下，我们和英国合作者的各个团队一起，将发现的100余个高质量的沃氏小麦亲本所携带的特有的有利等位基因片段，通过杂交、回交的方式导入现代品种，形成了700多个单片段替换系，验证和利用了沃氏小麦在产量、抗病、营养等性状上，对于现代小麦育种巨大的利用价值，为未来精准智能育种奠定基础。”

　　全球小麦，育种的新时代

　　“全球小麦可以分为7个祖先群，而现代小麦品种主要来源于其中两个，这意味着，大量的特有变异，尚未被现代育种所利用，而发现和鉴定出这些特有变异基因，将极大改变现有品种同质化严重的局面，推动小麦领域新质生产力的发展。”中国科学院院士钱前说。

　　事实上，在研究中，程时锋团队和合作者们，已经发掘并验证了多种未被利用的优异变异的功能和育种价值，比如挖掘到调控小麦高产、氮高效利用、适应性和营养品质的新基因和关键的有利变异位点等。

　　“沃氏小麦地方品种群体这一宝贵种质资源的引入，将为拓宽我国小麦的遗传基础、提高我国小麦的遗传多样性奠定坚实的基础。”中国科学院院士李家洋说。

　　该论文的审稿人认为，该研究成果是全球小麦科学研究工作的一个重要里程碑，将极大地促进小麦甚至整个作物科学领域的基因组设计育种的步伐。

　　从资源引进来，到技术走出去，从理论到实践相结合，国际多方合作的成果，也意味着该成果会更快应用到全球小麦育种中，在未来，被改变的不止是中国小麦的育种进程，更是全球小麦的现代育种之路。

　　据了解，程时锋团队在此前合作的基础上，正在与欧洲、美国和国际玉米小麦研究中心等开展合作、扩大合作范围、深化合作内容，先后共同发起了多项国际合作项目，继续加强全球小麦种质资源的引进和本地化，“加强国际合作，既是为现代小麦育种贡献中国智慧和中国力量，也是持续为我国小麦育种产业注入新的血液，服务我国小麦种业发展与振兴。”程时锋说。